電子工程師必須解決電路設(shè)計的EMC干擾問題

一、干擾概述

1、干擾的分類

干擾的分類有好多種,通常可以按照噪聲產(chǎn)生的原因、傳導(dǎo)方式、波形特性等進(jìn)行不同的分類。

按產(chǎn)生的原因分：可分為放電噪聲音、高頻振蕩噪聲、浪涌噪聲。

按傳導(dǎo)方式分：可分為共模噪聲和串模噪聲。

按波形分：可分為持續(xù)正弦波、脈沖電壓、脈沖序列等。

1.2、干擾的耦合方式

干擾源產(chǎn)生的干擾信號是通過一定的耦合通道才對設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生作用的。因此，我們有必要看看干擾源和被干擾對象之間的傳遞方式。干擾的耦合方式，無非是通過導(dǎo)線、空間、公共線等，細(xì)分下來，主要有以下幾種：

1) 直接耦合：這是較直接的方式，也是系統(tǒng)中存在較普遍的一種方式。比如干擾信號通過電源線侵入系統(tǒng)。對于這種形式，較有效的方法就是加入去耦電路。

2) 公共阻抗耦合：這也是常見的耦合方式，這種形式常常發(fā)生在兩個電路電流有 共同通路的情況。為了防止這種耦合，通常在電路設(shè)計上就要考慮。使干擾源和被干擾對象間沒有公共阻抗。

3) 電容耦合：又稱電場耦合或靜電耦合。是由于分布電容的存在而產(chǎn)生的耦合。

4) 電磁感應(yīng)耦合：又稱磁場耦合。是由于分布電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的耦合。

5) 漏電耦合：這種耦合是純電阻性的，在絕緣不好時就會發(fā)生。

二、常用硬件抗干擾技術(shù)

針對形成干擾的三要素，采取的抗干擾主要有以下手段。

2.1、抑制干擾源

抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt，di/dt。這是抗干擾設(shè)計中較優(yōu)先考慮和重要的原則，常常會起到事半功倍的效果。減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)電容來實現(xiàn)。減小干擾源的di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來實現(xiàn)。

抑制干擾源的常用措施如下：

1)繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時產(chǎn)生的反電動勢干擾。僅加續(xù)流二極管會使繼電器的斷開時間滯后，增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時間內(nèi)可動作更多的次數(shù)。

2)在繼電器接點兩端并接火花抑制電路(一般是RC串聯(lián)電路，電阻一般選幾K到幾十K,電容選0.01uF)，減小電火花影響

3)給電機(jī)加濾波電路,注意電容、電感引線要盡量短。

4)電路板上每個IC要并接一個0.01μF～0.1μF高頻電容，以減小IC對電源的影響。注意高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會影響濾波效果。

5)布線時避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。

6)可控硅兩端并接RC抑制電路，減小可控硅產(chǎn)生的噪聲(這個噪聲嚴(yán)重時可能會把可控硅擊穿的)。

2.2、切斷干擾傳播路徑

按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。

所謂傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用信號的頻帶不同，可以通過在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播，有時也可加隔離光耦來解決。電源噪聲的危害較大，要特別注意處理。

所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離，用地線把它們隔離和在敏感器件上加屏蔽罩。

切斷干擾傳播路徑的常用措施如下：

1)充分考慮電源對單片機(jī)的影響。電源做得好，整個電路的抗干擾就解決了一大半。許多單片機(jī)對電源噪聲很敏感，要給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對單片機(jī)的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路，當(dāng)然條件要求不高時也可用100Ω電阻代替磁珠。

2)如果單片機(jī)的I/O口用來控制電機(jī)等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離(增加π形濾波電路)。

3)注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。

4)電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號,數(shù)字、模擬信號。盡可能把干擾源(如電機(jī)、繼電器)與敏感元件(如單片機(jī))遠(yuǎn)離。

6) 用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離。數(shù)字地與模擬地要分離，較后在一點接于電源地。A/D、D/A芯片布線也以此為原則。

7)單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地，以減小相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。

8)在單片機(jī)I/O口、電源線、電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器、屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。

2.3、提高敏感器件的抗干擾性能

提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對干擾噪聲的拾取,以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。

提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下：

(1) 布線時盡量減少回路環(huán)的面積,以降低感應(yīng)噪聲。

(2) 布線時,電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外,更重要的是降低耦合噪聲。

(3) 對于單片機(jī)閑置的I/O口,不要懸空,要接地或接電源。其它IC的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。

(4) 對單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門狗電路,如：IMP809，IMP706，IMP813，X5043，X5045等，可大幅度提高整個電路的抗干擾性能。

(5) 在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路。

(6) IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC座。

2.4、其它常用抗干擾措施

(1)交流端用電感電容濾波：去掉高頻低頻干擾脈沖。

(2)變壓器雙隔離措施：變壓器初級輸入端串接電容，初、次級線圈間屏蔽層與初級間電容中心接點接大地，次級外屏蔽層接印制板地，這是硬件抗干擾的關(guān)鍵手段。次級加低通濾波器：吸收變壓器產(chǎn)生的浪涌電壓。

(3)采用集成式直流穩(wěn)壓電源：有過流、過壓、過熱等保護(hù)作用。

(4)I/O口采用光電、磁電、繼電器隔離，同時去掉公共地。

(5)通訊線用雙絞線：排除平行互感。

(6)防雷電用光纖隔離較為有效。

(7)A/D轉(zhuǎn)換用隔離放大器或采用現(xiàn)場轉(zhuǎn)換：減少誤差。

(8)外殼接大地：解決人身安全及防外界電磁場干擾。

(9)加復(fù)位電壓檢測電路。防止復(fù)位不充分，CPU就工作，尤其有EEPROM的器件,復(fù)位不充份會改變EEPROM的內(nèi)容。

(10)印制板工藝抗干擾：

①電源線加粗，合理走線、接地，三總線分開以減少互感振蕩。

②CPU、RAM、ROM等主芯片，VCC和GND之間接電解電容及瓷片電容，去掉高、低頻干擾信號。

③獨(dú)立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少接插件與連線，提高可靠性，減少故障率。

④集成塊與插座接觸可靠，用雙簧插座，較好集成塊直接焊在印制板上，防止器件接觸不良故障。

⑤有條件的采用四層以上印制板，中間兩層為電源及地。

如何提高工控設(shè)備的抗干擾能力?

答：工控設(shè)備的核心問題，就是抗干擾能力，如果抗干擾能力不夠高，那么，這個設(shè)備就是沒有多大用處。要提高工控設(shè)備的抗干擾能力，首先就是要學(xué)會正確的使用PLC。

1、PLC的內(nèi)核電源和輸入輸出接口電源應(yīng)該獨(dú)立

絕大多數(shù)的用戶，在設(shè)計系統(tǒng)電源時，只有一個電源，PLC的內(nèi)核和接口都用這個電源。懂得光耦原理的人就會發(fā)現(xiàn)，這種接法，會把光耦旁路掉，也就是說，光耦完全沒有起到隔離的作用，整個PLC完全是在“裸奔”，沒有任何的保護(hù)能力，非常危險的!正確的做法是多加一個電源，專門只給PLC內(nèi)核供電。輸入輸出接口可以共用一個電源。

2、PLC的輸出口

如果接到感性負(fù)載，例如電磁閥，繼電器等有線圈的負(fù)載，需 要在負(fù)載兩端反向加一個吸收二極管。具體的方法，可以到我們的網(wǎng)站查看產(chǎn)品的接線圖。如果沒有這個反向二極管，在電磁閥或繼電器斷開的瞬間，會產(chǎn)生一個反向電動勢。這個反向電動勢，和輸出口的電源疊加在一起，會大大超過輸出三極管(或場效應(yīng)管)的電壓承受極限，導(dǎo)致三極管擊穿。對于反向二極管的參數(shù)，只要是電流不小于繼電器電流，耐壓不低于接口電源電壓就行了，像1N4004,1N4007都沒有任何問題。另外，市場上的電磁閥，接線如果標(biāo)有正負(fù)極的，就表示里面已經(jīng)有了吸收電路，不用外接二極管了。

3、電源的選擇

干擾信號都是高頻信號。比較典型的干擾信號源有變頻器，可控硅調(diào)壓電路?，F(xiàn)在市面上的電源大多是開關(guān)電源，體積小，效率也很高，但是，較大的缺點就是，高頻干擾信號可以長驅(qū)直入。而過去的老式電源，里面有個很大體積的變壓器那種，體積大，效率低，但是對于高頻干擾信號卻可以很有效的抑制。所以，在選擇內(nèi)核電源時，應(yīng)該選擇老式變壓器電源。如果找不到老式變壓器電源，可以在開關(guān)電源前接一個1:1的隔離變壓器，或在內(nèi)核電源的輸入端接共模線圈，用來阻隔高頻干擾。

4、布局

干擾有2個途徑：一是導(dǎo)線傳導(dǎo)，二是空間輻射傳導(dǎo)。

以上的1和3就可以解決導(dǎo)線傳導(dǎo)的干擾。對付空間干擾，較有效的辦法就是加屏蔽罩(千萬不要以為加屏蔽罩是可有可無的)。配電柜就是個很好的屏蔽罩。但是屏蔽罩對于來自內(nèi)部的干擾卻束手無策。由于繼電器甚至接觸器一般也裝配在在配電柜里面，繼電器在斷開的瞬間會產(chǎn)生一個高頻干擾，這個干擾就會通過空間輻射，干擾PLC的工作。這時候，就要對配電柜內(nèi)部的布局有一定的要求了。PLC應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離繼電器以及繼電器控制的大電流電纜，以減少空間輻射干擾。如果干擾仍然嚴(yán)重，可以考慮用錫紙把PLC包起來，相當(dāng)于給PLC單獨(dú)加一個屏蔽罩。

看了上面的內(nèi)容，有些設(shè)備工程師，會有疑惑：“我都這樣(沒有按照上面的要求做)做了幾十年了，也沒有出現(xiàn)什么問題呀”？雖然設(shè)備在工作，但卻不是較佳狀態(tài)，屬于“帶病工作”。

5、繼電器和接觸器的干擾和抑制措施

繼電器和接觸器都是感性負(fù)載，所用的干擾抑制措施與電磁閥所采用的措施基本相同。不過從小的控制用繼電器到大負(fù)載用的接觸器的容量相差很懸殊。對小的繼電器或接觸器，通常由可編程序控制器或微機(jī)直接進(jìn)行控制，而對大容量的接觸器往往需通過輔助繼電器進(jìn)行控制。一般情況下，觸點容量30A以下者RC回路為470Ω和0.1μF，觸點容量30A以上者，RC回路為470Ω和0.47μF。

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